车载自组织网络的体系结构和通信协议研究

基金项目：国家高技术研究发展(“863”)计划(2008AA01Z205)

    随着汽车工业的蓬勃发展，城市交通拥堵、道路交通事故以及恶劣天气下道路交通安全成了亟待解决的问题。作为智能交通系统(ITS)重要组成的车载自组织网络(VANET)就是在此背景下提出的，成为保障行车安全和提高交通效率的关键。VANET是将无线通信技术应用于车辆间通信的自组织网络，对于发展移动通信，提升车辆的信息化自动化程度，减少交通事故，提高道路交通安全，具有十分重要的意义。

1 车载自组织网络

1.1 车载自组织网络的特点
    VANET是自组织网络的一种在交通领域支持动态、随机、多跳拓扑结构应用的特殊区域性网络，是一类特殊的移动自组织网络(MANET)[1]。文献[2]认为真正纯粹的通用目的的MANET在现实世界中并不存在，而诸如VANET、MESH网络、机会式网络和无线传感器网络(WSN)这类具有实际应用背景的特殊移动自组织网络却获得了巨大的成功。VANET与通用目的的自组织网络相比，具有以下特点[3]：

    ⑴VANET中节点的拓扑结构变化快，车辆的快速移动性决定了车载自组织网络中拓扑结构的频繁改变，使得两个车辆节点之间通信链路的生存时间大大缩短。通常的解决办法是通过提高发射功率来延长链路的生存时间，但发射功率的提高、通信距离增加的同时又降低了网络的吞吐量。

    ⑵快速变化的拓扑结构给建立精确的邻居节点列表带来困难，而每个节点要获取维护整个网络的全局拓扑结构变得不现实，因此基于网络拓扑结构的协议不适用于车载自组织网络。

    ⑶车辆高速行驶带来信道的快速衰落、严重的多普勒效应，同时受道路情况、道路周围高大建筑物、树木的影响，无线信道质量很不稳定。

    ⑷虽然车辆节点的快速移动给车载自组织网络带来严重的挑战，但是由于车辆总是在道路上行驶，车辆节点的移动具有规律性，因此节点的拓扑结构变化具有规律，可预测。

    ⑸车载自组织网络具有丰富的外部辅助设备。车载全球定位系统(GPS)可以为VANET提供精确的定时和车辆的位置信息，配合电子地图的使用，为VANET组网和路由协议设计带来便利。车辆上可安装各种功能的传感器，采集车辆节点的速度、加速度、方向等状态信息。

    ⑹通用MANET中通信模块由电池供电，所以节省能量成为协议设计过程中需要重点考虑的问题。而在车载自组织网络中，由车辆本身为各种设备提供电力，从而对通信设备的能耗和设备体积的要求降低。

1.2 车载自组织网络的研究现状
    VANET目前是专用自组织网络中研究和应用最为活跃的领域。全球有众多的科研机构、汽车制造商以及相关组织参与到车载自组织网络的科研项目、外场试验和标准化工作中。例如美国的Vehicle Safety Consortium、欧洲的Car-2-Car Communication Consortium、CarTALK 2000、FleetNet，日本的Advanced Safety Vehicle Program等。美国还启动了车载自组织网络的外场试验项目。

    在标准化方面，专用短距离通信(DSRC)是主要用于ITS领域(如电子收费系统ETC)专为ITS而开发出的技术标准[4]。国际标准化组织智能运输系统委员会ISO/TC204负责DSRC国际标准的制订工作。国际上DSRC标准制订主要有欧洲、美国和日本三大阵营。欧洲DSRC标准化工作小组CEN/TC278第9工作组于1994年开始DSRC标准的起草工作，1997年通过了ENV12253“5.8 GHz DSRC物理层”、ENV12795“DSRC数据链路层”和ENN12834“DSRC应用层”标准。1997年日本DSRC标准化工作小组TC204委员会完成了DSRC标准制订工作，2001年和2004年又分别发布了ARIB STD-T75和ARIB STD-T88两项标准。1998年美国联邦通信委员会将5.850~5.925 GHz(75 MHz)频段分配给运输服务领域的短程通信。2002年ASTM通过DSRC标准E2213-02，2003年通过其改进标准E2213-03。在标准E2213-03的基础之上，IEEE 802.11p和IEEE 1609工作小组开始制订车载环境下的无线通信标准。2006年IEEE通过了IEEE 1609.1—1609.4系列标准。2010年7月IEEE 802.11p标准正式发布，该标准是DSRC的物理层和MAC层标准，是针对ITS中的相关应用对IEEE 802.11标准的扩充延伸。

2 车载自组织网络的体系结构

2.1 理论模型
    由于车辆自组网的网络节点具有高度移动性，车辆的分布相当复杂且变化多端。为了适应这种情况并能揭示问题本质，本文提出VANET的信息描述模型，即在研究的地理区域内，考虑一多维数组并将它用n×m阶矩阵表示。将每一车辆有可能联网参与通信的设备均看成n×m阶矩阵中的一个“元素”，每一“元素”又都看作是一个一维或者多维数组，可以包含：位置信息、设备识别码、通信模式、优先等级、移动信息(例如速度方向等)、分组情况(所属的子集)、紧急情况标识(例如危险等级、求救信息等)、能量信息、联网状态等，能够根据实际情况的变化而随时修正。

    同样，根据需要矩阵中的“元素”可以表示为一维或多维数组(矩阵)，即可得到一个用多重数组(矩阵)表示的信息描述模型。根据这个理论模型比较容易得到网络的拓扑结构进而研究其体系结构。如果考虑到车辆的移动(速度和方向等)以及道路状况，可以通过改变数组的类型和数值，把模型映射为状态和状态转移，从而得到状态图和状态转移图。同理可以将通信模式、联网状态(包括车辆间通信状态、车辆内设备协同工作状态、与外部网络的连接情况等)、优先等级、紧急情况标识、节点切换方法等，用这种多重数组表征，从而进行定量的分析。

    用所提出的多维多层的理论模型进行VANET体系结构的研究能够提供高可扩展性，同时做到灵活、方便，使得组网变得容易。

2.2 网络架构
    VANET的网络架构主要分为两大部分：一是车辆间的通信，即车车通信(IVC)或车对车(V2V)；二是车辆与固定设施(即路边节点)之间的通信，即路车通信(RVC)或车对基础设施(V2I)。如图1所示。车辆上装载有车载单元(OBU)，车辆通过车载单元与外界通信。固定设施主要是指在道路边缘设置的路边单元(RSU)。车载单元中主要包括定位模块、车辆状态参数采集模块、车路通信模块、车间通信模块以及输入输出设备。图1中所示定位模块采用GPS接收机通过卫星获取车辆的位置信息。车辆状态参数采集模块通过车辆上安装的各种传感器实时采集车辆行驶过程中的各种状态，例如：速度、加速度、方向等等。车路通信模块负责车辆与固定设施RSU的通信。车间通信模块负责车辆与车辆之间的信息交互。输入输出设备为车内人员提供了VANET的操作平台，可以向网络中输入信息，通过音频输出设备获取告警信息，也可以通过视频输出设备直观的获取VANET网络中车辆行驶状况。沿道路设置的路边单元主要负责车辆与固定设施之间的通信，一方面负责车载单元的接入，另一方面与控制中心相连，将覆盖区域内的交通情况报告给控制中心，同时将控制中心的相关管理信息发布给接入的车辆。控制中心连接着管辖区域内的所有路边单元，将各个路边单元获取的车辆行驶信息汇总，实时监控道路交通状况，负责交通管理、紧急事件处理、收费管理、信息发布等。另外，车内乘客的通信电子设备也可以通过无线方式接入车载单和路边单元，获取本车行驶状况、周围其他车辆的行驶状况、道路的整体交通状况等信息。

3 车载自组织网络的相关技术与协议研究

3.1 物理层技术
    目前国际上所研究的车辆自组网所采用的物理层技术主要是802.11和UTRA-TDD技术。文献[5]比较了这两种技术。虽然802.11技术的性能比UTRA-TDD差，但是由于802.11无线模块目前应用普及、价格低廉、实现简单，而且工作在免费频段，所以现在车辆自组网的研究中大多数的物理层都是基于802.11技术的。相比之下，虽然UTRA-TDD性能较好，但是它的实现复杂、造价较高等等因素制约其被广泛应用。IEEE发布的IEEE 802.11p标准是在802.11a的基础上根据车辆节点高速移动的特点做出的改进，同样使用正交频分复用(OFDM)技术，但是为了降低多径扩展和多普勒频移所带来的码间干扰，时域的物理参数发生了变化。IEEE 802.11a和802.11p物理层参数对比如表1所示。

3.2 媒体接入控制层协议技术
    车辆自组网中，MAC层技术主要可以分为两类：一类是以时分多址(TDMA)为代表的控制接入协议，另一类是以ALOHA和载波侦听多址接入(CSMA)为代表的随机接入协议。TDMA协议中，每个车辆节点被指定了固定的时隙发送数据，优点是延时小，而且不会发生多个节点同时接入发生碰撞的情况，但是由于车辆自组网中车辆节点快速移动，网络拓扑结构变化频繁，使得更新车辆节点的分配时隙也相当频繁，带来巨大的网络开销。CSMA协议已经被广泛应用于IEEE 802.11系列标准中，节点在发送自己消息之前先进行媒体侦听，如果媒体空闲便发送数据，如果媒体被占用则退避等待直到空闲。由于车辆自组网的动态特性，随机接入协议比较适用，但是接入碰撞、隐藏终端等问题依然存在。在无线局域网(WLAN)中，通信模式大都采用点对点的方式，而在VANET中大部分的信息需要通过广播的方式进行通信。因此，要针对VANET的特点设计MAC层协议。

    (1)优先级接入
    VANET中，典型的应用可以分为以下几类：(1)安全预警，如车祸消息；(2)协助驾驶，如超车变道消息等；(3)交通信息，如前方道路车辆流量信息的发布等；(4)乘客办公娱乐，如前方车位预约服务等。对涉及到生命安全的消息有必要保证其快速准确发布出去，所以此类消息在接入信道时应被赋予较高的优先级，而乘客办公娱乐这类对实时性要求不高的消息，应该以较低的优先级接入信道。根据消息延时要求的不同，对不同类型的消息赋予不同的优先级，高优先级的消息接入信道时，设置较低的退避接入计数器最大值，较短的帧间间隔，保证高优先级的消息以较大可能先于低优先级消息接入信道。

    (2)多信道协调
    在IEEE 802.11p标准中，将分配给VANET的带宽资源划分为7个信道：一个控制信道，负责安全消息的传输；另外6个服务信道，负责非安全性的服务消息的传输。

    由于安全应用和非安全应用在VANET中是并存的，所以必须采取措施避免工作在服务信道上的车辆接收不到控制信道中传输的安全消息。文献[6-7]提出了一种类似802.11机制中点协调功能(PCF)的接入点(AP)协调模式。该模式中存在服务接入点和协调接入点两类接入点。服务接入点在RSU提供非安全服务，而协调接入点负责协调覆盖范围内车辆的信息传输。文献[8]提出了一种基于令牌环的MAC协议(MCTRP)。通过自适应的令牌环协调，车辆消息的接入被工作在不同服务信道上的多个令牌环自治管理。该协议使得安全消息能够以更小的延时得以传输，同时非安全应用的网络吞吐量也得以提高。目前，VANET中不少研究是针对MAC层多信道协调问题，希望在保证安全应用实时性的同时，提高服务信道中非安全应用网络吞吐量。

    (3)广播
    VANET中传播的消息绝大多数都是安全性应用消息。这类消息的特性是消息简短，优先级高，主要通过广播或组播的方式发送，实时性要求高。保证广播消息可靠低延时的传输给MAC层协议设计带来不少挑战。首先，车辆节点接收到广播消息后不会发出确认消息(ACK)，因为将会造成严重的消息碰撞，引起ACK风暴问题[9]。缺少ACK确认的广播机制，将不能检测到消息是否发送成功，也不能实现消息发送失败的重传机制。其次，由于广播情况下缺少发送失败检测机制，竞争窗口(CW)的大小一旦确定后不能改变，当大量的节点竞争接入信道时，便会引起严重的碰撞。第三，隐藏终端问题在VANET中更加突出，因为单播中的握手机制会造成广播中请求发送/准备接收(RTS/CTS)握手消息的泛滥。文献[10]提出了一种有向广播协议，使用RTB/CTB握手机制代替原有的RTS/CTS握手机制，根据车辆的位置信息，仅仅选择特定的车辆来完成转发和确认广播消息的任务。文献[11]充分利用了车辆节点的位置信息来设计多跳广播协议。一种分布式的广播协议DV-CAST在文献[12]中被提出，将车辆节点密度引入到多跳广播协议的设计中。文献[13]采用了重复发送机制来保证可靠性，同时又使中继节点以概率转发广播消息，以此来减少消息的重复转发。

    有效的多跳广播协议能减少重新广播的次数，减少竞争和碰撞，保证车辆自组网中安全消息的可靠低延时传输。在设计多跳广播协议时有必要综合考虑车辆位置信息、车辆节点密度、信号强度、信噪比、误码率等因素来选择转发消息的车辆节点，实现广播消息的可靠低延时传输。

3.3 路由协议
    MANET路由协议已经得到了广泛的研究，主要分为先应式路由协议和按需路由协议两大类。先应式路由协议需要维护路由信息表，因此又称为表驱动路由协议，每个节点采用周期性的路由分组广播交换路由信息，形成一张到达其他节点的路由表。当网络的拓扑结构发生变化时，节点发送更新消息，收到更新消息的节点将更新自己的路由表，及时维护准确的路由信息。当某节点有数据发送时，即可根据自己的路由表获取指向目的节点的路由。另一类按需路由协议是根据数据的传输请求，被动地搜索从源节点到目的节点的路由，而当没有数据传输请求时，节点并不需要交换路由信息，因此也被称为被动型路由协议。按需路由协议是自组织网络特有的路由协议类型，它可以降低开销，提高网络的吞吐量，但是目的节点是否可达以及路由建立的延迟都具有不确定性。

    针对VANET中车辆高速移动带来的网络拓扑结构的快速变化，如何设计有效的路由协议成为网络层研究的难点问题。GSR[14]协议试图克服MANET中利用位置信息的路由协议的缺点，进而应用于VANET。例如，MANET中的GPSR[15]协议就是利用位置信息的一种贪婪转发协议，但缺点是会出现拓扑空洞问题。GSR协议则利用了静态道路地图和每个车辆节点的位置信息来寻找到达目的节点的传输路径，从而克服了上述问题。类似于GSR协议，SAR[16]协议利用外部设备获取的道路地图信息，为路径寻找构建了一个“空间模型”，从而能很好地预测并避免因为网络拓扑空洞造成的路由恢复问题。但是，SAR协议的缺点是它并不知道被选中的道路上是否有车辆来完成转发任务，STAR[17]协议通过选择沿着有车辆行驶的道路寻找路由解决了该问题。A-STAR[18]协议利用城市公交线路作为策略来寻找数据传输的高效路径，该协议适用于城市密集车流量的场景，而且基于公交车辆覆盖城市主要道路的假设。在GSR和A-STAR的基础上，GyTAR[19]协议充分考虑了车辆行驶的方向、车辆密度、道路的多向性以及交通环境的改变等因素，使路由协议更加符合实际交通场景。
由于现实生活中道路情况错综复杂，车辆行驶状况也是千变万化，因此VANET中路由协议的设计要更加符合实际场景。目前而言，设计一种在各种场景下都能有效寻找传输路径的高效路由协议仍然是网络层研究的重大挑战。

4 结束语
    车载自组织网络VANET是一类特殊的移动自组织网络，有着广阔的应用前景。VANET中车辆节点的高速移动性、网络拓扑结构的快速变化给网络体系结构的设计以及相关协议的设计均带来了严峻的挑战。本文介绍了一些针对车辆行驶特点的相关协议，包括物理层、MAC层和网络层协议，这些都是VANET研究领域中的热点难点问题。随着VANET的深入研究，这些难点问题的解决必将有助于提升车辆行驶的智能化，提高道路交通安全，给日常生活带来更多便利。

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收稿日期：2011-03-08

[摘要] 在对车载自组织网络的特点和研究现状分析的基础上，文章给出了车载自组织网络(VANET)中多维多层的理论模型和网络体系结构，讨论了物理层技术及其相关标准以及MAC层、网络层协议设计的重点和难点，阐述了广播协议的设计思路。

[关键词] 车载自组织网络；体系结构；媒体访问控制协议；路由协议

[Abstract] This paper gives a brief introduction to the characteristics and research status of vehicular ad hoc networks and presents a multilayer, multidimensional theoretical model and network architecture. It discusses techniques and standards in the PHY layer as well as challenges in designing protocols for the MAC and network layers. The design of the broadcast protocol in the MAC layer is described in detail.

[Keywords] vehicular ad hoc network; system architecture; MAC protocol; routing protocol